Entwicklung von optischen Systemen für die kombinatorische Materialablagerung und die großflächige Detektion im Rahmen von Hochdurchsatzverfahren

2,6 Milliarden €, so viel kostet heutzutage die Entwicklung eines erfolgreichen neuen Medikamentes durchschnittlich. Von der Entdeckung des Wirkstoffes bis zur Marktreife des Medikamentes können leicht 10 Jahre oder mehr vergehen. Arzneimittelhersteller haben deshalb ein großes Interesse, diese Kosten und den erforderlichen Zeitaufwand zu reduzieren. Neuartige Hochdurchsatzverfahren können dabei helfen, diese beiden Ziele zu erreichen.
Am Anfang einer Medikamentenentwicklung steht die Suche nach einem Wirkstoff, die Molekülauswahl. Hochdurchsatzverfahren ermöglichen, eine große Zahl von Experimenten in kurzer Zeit kostengünstig durchzuführen.
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Bevor ein Hochdurchsatzverfahren überhaupt zum Einsatz kommen kann, stellen sich zunächst zwei Fragen: Wie kann eine große Zahl an Experimenten in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden und wie können die Ergebnisse dieser Experimente zeitnah ausgewertet werden?
Die Antwort auf die erste Frage liefert das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren des Selective Particle Transfer zur Erzeugung von ultra-hochdichten Molekülmustern. Hierbei werden Mikropartikel mit eingebetteten Molekülen aus ausgewählten Vertiefungen eines mikrostrukturierten Glas-Ausgangsträgers in die darunterliegenden Vertiefungen eines geeignet mikrostrukturierten Zielträgers transferiert. In einem laserinduzierten Vorwärtstransferprozess werden diese Partikel durch Ablation einer Goldschicht in den Vertiefungen des Ausgangsträgers thermisch in Richtung des Zielträgers ausgetrieben. Durch den Einsatz von mikrostrukturierten Substraten konnte eine Spotdichte erreicht werden, die deutlich über dem gegenwärtigen Stand der Technik vergleichbarer Methoden liegt. Die höchste in dieser Arbeit durch Selective Particle Transfer erreichte Spotdichte beträgt 1 000 000 cm-2.
Zur Beantwortung der zweiten Frage bietet sich die Auslese auf Basis der Fluoreszenz an. Zur großflächigen Detektion von fluoreszierenden Proben wurde ein optisches System entwickelt, das auf Erkenntnissen der erweiterten Makrofotografie beruht. Durch Vergrößerung des Abstandes zwischen Objektiv und Kamerakörper konnte eine deutlich höhere Auflösung im Vergleich zur konventionellen Fotografie erzielt werden. Als Modellprobe dienten fluoreszenzmarkierte Mikropartikel in den Vertiefungen eines mikrostrukturierten Glassubstrats. Partikel mit unterschiedlichen Monomeren wurden zu ihrer Unterscheidung mit verschiedenen Quantum Dots markiert. Zur Anregung von Quantum Dots wird im Gegensatz zu Fluorophoren nur eine einzige LED-Lichtquelle benötigt. Um die emittierte Fluoreszenz detektieren zu können, wurden Filter eingesetzt, die die Anregungswellenlängen blockieren. In dieser speziellen Konfiguration sind keine spezifischen Fluoreszenzfilter erforderlich. Es kann folglich ein großer spektraler Bereich von 475 nm bis 600 nm simultan detektiert werden. Durch Austausch der LED-Lichtquelle gegen eine UV-Lampe können Fluorophore sogar im Deep-UV Bereich angeregt werden. Das entwickelte System ist in der Lage, bei einer Auflösung von 5 µm eine Fläche von 9,2 mm x 6,1 mm in einer einzigen Aufnahme zu erfassen und übertrifft damit herkömmliche Mikroskope um den Faktor 14.

€2.6 billion, that's the average cost today of developing a successful new drug. From the discovery of the active ingredient to the marketability of the drug can easily pass 10 years or more. Therefore, pharmaceutical manufacturers have a great interest in reducing these costs and the time required. Novel high throughput techniques can help achieve these two goals.
At the beginning of a drug development is the search for an active ingredient, the molecule selection. High throughput screenings make it possible to cost-effectively carry out a large number of experiments in a short time.
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Before a high-throughput screening can be used at all, two questions arise first: How can a large number of experiments be carried out in as short a time as possible, and how can the results of these experiments be evaluated in a timely manner?
The answer to the first question is provided by the method of the Selective Particle Transfer presented in this work for the generation of ultra-high-density molecular patterns. In this process microparticles with embedded molecules are transferred from selected wells of a microstructured glass donor slide into the underlying wells of a suitably microstructured target slide. In a laser-induced forward transfer process, these particles are driven off in the direction of the target slide by ablation of a gold layer in the wells of the donor slide. Through the use of microstructured substrates, a spot density could be achieved that is significantly above the current state of the art of comparable methods. The highest spot density achieved in this work by the Selective Particle Transfer is 1 000 000 cm-2.
To answer the second question, the selection on the basis of fluorescence offers. For the large-area detection of fluorescent samples, an optical system based on the findings of advanced macro-photography has been developed. By increasing the distance between the lens and the camera body, a significantly higher resolution compared to conventional photography could be achieved. As a model sample fluorescently labeled microparticles were used in the wells of a microstructured glass substrate. Particles with different monomers were labeled with different quantum dots to distinguish them. To stimulate quantum dots, in contrast to fluorophores, only a single LED light source is needed. In order to detect the emitted fluorescence, filters were used which block the excitation wavelengths. In this particular configuration, no specific fluorescence filters are required. Consequently, a large spectral range from 475 nm to 600 nm can be detected simultaneously. By replacing the LED light source with a UV lamp, fluorophores can be excited even in the deep UV range. The developed system is capable of capturing 9.2 mm x 6.1 mm in a single shot at a resolution of 5 µm, outperforming conventional microscopes by a factor of 14.